城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估體系構建與系統(tǒng)研究

張 俊，唐金金，易志剛

（1.北京交通大學 交通運輸學院， 北京 100044；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所， 北京 100081）

為了保障網絡化城市軌道交通的運營安全、生產效率和服務質量，線路之間的運力資源統(tǒng)籌配置顯得尤為重要，更對線間列車運行組織的協(xié)調性提出了很高的要求。列車運行圖作為列車運行的計劃指導[1]，運行圖之間的協(xié)調性是線路間運力資源配置協(xié)調性的直接體現(xiàn)。因此，準確地評估列車運行圖協(xié)調性是指導網絡運營管理科學決策的關鍵要素。

列車運行圖協(xié)調性評估是指結合客流數(shù)據(jù)對列車在運行圖中表現(xiàn)出的運營情況、列車運行過程中的換乘與銜接情況等進行分析，從而對列車運行圖整體的協(xié)調能力和發(fā)展能力進行評估優(yōu)化，為運營決策者制定管理措施提供參考。針對傳統(tǒng)的列車運行圖協(xié)調性評估周期長、過程繁瑣、缺乏全局和效果滯后的不足之處[2]，本文將從城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估指標體系的構建和評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)兩個方面進行研究[3-5]。列車運行圖協(xié)調性的評估結果，不僅能為列車運行圖的優(yōu)化提供科學依據(jù)，還能為城市軌道交通運營協(xié)調提供多方位的分析角度。

1 指標體系構建

城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估指標體系是一項多維度的綜合指標評價體系，基于該具體問題，應選取合適的指標對列車運行圖的整體協(xié)調性進行科學客觀的評估，本文研究的城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估指標體系的構建如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估指標體系框架示意圖

1.1 基礎指標

為了全面地評價城市軌道交通列車運行圖的協(xié)調性，首先需要了解列車運行圖的基本信息，本文主要統(tǒng)計時間指標和數(shù)量指標兩部分，能夠體現(xiàn)列車 “按圖行車” 的基本指標要素，如表1 所示。

表1 列車運行圖基礎指標

1.2 首末班車銜接評估指標

指標體系中首末班車銜接評估指標涵蓋車站級、線路級和路網級3 個層次[6]，能夠全面地評估列車運行圖規(guī)定的首末班車時間銜接程度，用于制定和調整合理的首末班車時間開行計劃。

首班車側重時間可達，銜接是指首班車到達換乘車站后15 min 以內換乘方向列車能夠到達車站；末班車側重空間可達，銜接是指末班車到達換乘車站后換乘方向列車能夠到達車站[7]。

式中：i表示換乘方向；ni表示首末班車各上一層級換乘客流量；xi表示首末班車各上一層級銜接指數(shù)，換乘車站中根據(jù)換乘方向銜接與否量化為0-1 變量；R表示當前層級銜接指數(shù)，其數(shù)值越接近于1 銜接效果越好。

1.3 換乘站列車運行銜接評估指標

該類型指標從車站級、線路級和路網級3 個層次計算平均換乘銜接時間和平均換乘等候時間，用于評估換乘站列車運行銜接程度，作為調整列車開行方案的依據(jù)[8]。單一的換乘等候時間并不能體現(xiàn)總的換乘時間，單一的換乘銜接時間又忽略了走行時間，只有兩種時間綜合考慮才能評估列車運行圖對換乘站列車運行銜接的影響。

換乘銜接時間是指從某線列車到達換乘站時起，乘客下車后換乘到另一條線路上最近接續(xù)列車并上車出發(fā)的時間；換乘等候時間是指乘客到達換乘線路的站臺上等待接續(xù)列車花費的時間。

式中：i表示換乘方向；ni表示各上一層級換乘客流量；ti表示各上一層級換乘銜接/ 等候時間；T表示當前層級換乘銜接/ 等候時間，其數(shù)值越小則換乘銜接效果越好。

1.4 線間列車運輸能力匹配指標

為了更高程度地運載換乘站的換乘客流，需要最大限度匹配線路之間的輸送能力，防止換乘站內形成客流滯留，造成運輸系統(tǒng)發(fā)生潛在安全隱患。線間列車運輸能力匹配指數(shù)能夠評估換乘站各條線路之間的匹配情況，對車站內的客流組織和行車計劃的調整提供參考，既方便乘客的出行，還能保障城市軌道交通的運營安全。

式中：i表示換乘方向；ni表示換乘方向的換乘客流量；Pi表示換入線路等待乘車的客流量；Ci表示換入線路列車冗余運力；M表示線間列車運輸能力匹配指數(shù)，其數(shù)值越接近于1 匹配效果越好。

2 評估系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于前文建立的指標體系，對各項評估指標進行統(tǒng)計計算，構建城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以減少人工勞動程度，方便進行協(xié)調性評估，為面向協(xié)調目標的運營組織提供優(yōu)化方向。

2.1 系統(tǒng)設計

2.1.1 系統(tǒng)設計目標

本文以北京市城市軌道交通路網實際運營情況為例，讀取列車運行圖基礎數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)，從評估列車運行圖角度出發(fā)，將運行圖協(xié)調分析評價與優(yōu)化決策緊密關聯(lián)起來，研究運行圖協(xié)調性的評估與分析方法?；诖?，城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估系統(tǒng)的主要設計目標如下：

（1）鋪畫列車運行圖，包括時刻表信息、交路信息和車次信息，能夠選擇顯示各條線路平日和雙休運行圖并統(tǒng)計相應的基礎指標；

（2）根據(jù)北京市實際軌道交通線路分布展示路網結構圖，并添加鼠標事件，方便用戶查看車站、線路和路網詳細信息；

（3）處理各線列車運行圖，結合客流數(shù)據(jù)計算首末班車銜接評估指標、換乘站列車運行銜接評估指標和線間能力匹配評估指標。

2.1.2 系統(tǒng)設計原則

為了保證系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，方便用戶的使用，該系統(tǒng)設計中主要遵循以下原則[9]。

（1）簡潔性：算法盡量優(yōu)化，處理簡潔高效，降低內存的使用；

（2）可擴展性：對系統(tǒng)進行結構化和模塊化設計，為今后的擴展提供伸縮性；

（3）可維護性：系統(tǒng)應具備合理的程序結構，程序控制數(shù)據(jù)化，還應有編碼空余；

（4）通用性：軟件采用WPF 下的C/S 構架模式，適用于Windows 操作系統(tǒng)；

（5）標準化：城市軌道交通的基礎指標等有嚴格的規(guī)定，在搭建系統(tǒng)時要遵守相關技術規(guī)定，防止系統(tǒng)與實際情況產生偏離。

2.1.3 系統(tǒng)功能架構設計

通過分析國內外相關領域研究成果，結合城市軌道交通實際數(shù)據(jù)，以對城市軌道交通列車運行圖進行評估為目標，科學地設計評估系統(tǒng)。評估系統(tǒng)劃分為應用層、處理層和數(shù)據(jù)層3 個層次，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)層主要是實現(xiàn)系統(tǒng)所需讀取的數(shù)據(jù)，處理層包括系統(tǒng)具有的功能，應用層是基于交互界面呈現(xiàn)內容得到的應用結果。

圖2 系統(tǒng)功能架構示意圖

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 關鍵技術（1）程序設計語言

系統(tǒng)運用的開發(fā)工具集是Microsoft Visual Studio 2017 產品，編譯語言是基于面向對象的C# 高級程序設計語言[10]。

（2）開發(fā)類庫

由于系統(tǒng)的定位是計算展示系統(tǒng)，所以選擇WPF（Windows Presentation Foundation）[11]作為用戶界面框架。WPF 功能強大，引入XAML 概念使得前臺界面和后臺程序可以實現(xiàn)分離，開發(fā)復雜界面效率極高；另外，WPF 具有豐富的類庫，在界面友好設計方面具有優(yōu)越性，極大的提高了用戶體驗，在應用程序的開發(fā)上保持著很強的競爭力。

（3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

系統(tǒng)的完成需要大量基礎數(shù)據(jù)的支撐， Oracle Database 可移植性好、使用方便[12]，并且在大數(shù)據(jù)處理方面極具優(yōu)勢，還可以使用靈活性極強的SQL語句從指定表Table 中截取讀取字段信息進行緩存。由于Oracle 的高效性和可靠性，以及其廣泛的適用性，本文選擇它作為系統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2.2.2 功能實現(xiàn)

基于系統(tǒng)功能，評估系統(tǒng)主要采用列車運行圖和路網結構圖兩個展示界面，利用單擊事件彈出各種指標的對話框與用戶進行交互。界面充分考慮系統(tǒng)的簡潔性、易用性與功能性，為用戶提供良好的使用體驗，部分可視化界面如圖3 所示。

圖3 評估系統(tǒng)可視化界面示意圖

系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖4 所示：（1）通過運行圖轉換識別模塊讀取地鐵公司所有線路的列車時刻表數(shù)據(jù)，并將其結構化，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式；（2）系統(tǒng)根據(jù)時刻表（圖）自動讀取運行圖指標計算時需要的有關數(shù)據(jù)，再進一步統(tǒng)計得到列車運行圖基礎指標。界面上設有工具欄，包括線路選擇、放大縮小、導入數(shù)據(jù)等功能，在系統(tǒng)導入客流數(shù)據(jù)后，可以結合客流數(shù)據(jù)計算得出首末班車銜接評估指標、換乘站列車運行銜接評估指標和換乘站線間運輸能力匹配評估指標。不同對話框分別展示各個層級、各種類型的指標，還設計有表格、柱狀圖和雷達圖等多種直觀的展示形式，用戶查看時按照自己的需求切換評估指標，而且可以同時對比查看不同換乘站或線路的指標，使用方便靈活。

3 案例分析

以北京市城市軌道交通路網實際運營情況為例，讀取列車運行圖基礎數(shù)據(jù)和客流數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)對北京市城市軌道交通列車運行圖進行協(xié)調性評估，在10 s 內完成各項指標計算，得到3 種指標的部分結果如下所述。

圖4 系統(tǒng)實現(xiàn)流程示意圖

（1）基礎指標（北京地鐵4 號線）：列車最小間隔135 s、列車全周轉時間12 055 s、列車定員1 408人、全日走行公里26 157.58 車公里、開行列數(shù)632 列等。

（2）首末班車銜接評估指標：車站級海淀黃莊站的首末班車銜接評估指標分別是0.71 和0.46，線路級4 號線的首末班車銜接評估指標分別是0.68 和0.42，路網級中在10 ：17 時路網所有車站可達，占比100%，全線貫通。

（3）換乘站列車運行銜接評估指標在10 ：00 ～11 ：00 統(tǒng)計期內，海淀黃莊站車站級的平均換乘銜接時間達到248 s，平均換乘等候時間109 s ；4 號線線路級的平均換乘銜接時間達到340 s，平均換乘等候時間120 s ；路網級的平均換乘銜接時間達到320 s，接近5.5 min，平均換乘等候時間137 s，接近2.5 min。

通過識別讀取現(xiàn)有的列車運行圖，計算無客流數(shù)據(jù)情況下的列車運行圖各項基礎指標，可以看出該圖對于北京市城市軌道交通基礎設施設備利用率較高。

根據(jù)運行圖結合已有的客流數(shù)據(jù)，對首末班車的銜接程度進行量化計算，得到車站級、線路級和路網級的首班車銜接程度均要好于末班車。如果對乘客影響較大，需要對列車運行圖首末班車時間做局部調整。

換乘站列車運行銜接程度計算得到3 個層次的兩種時間評估指標中，乘客走行時間和等候時間都較長，對于車站和線路的乘客組織和協(xié)調運營具有一定的指導意義。另外乘客走行時間更多的是由車站硬件設施導致，優(yōu)化空間不大，更應該優(yōu)化列車運行圖提高銜接效果，減少換乘等候時間。

4 結束語

本文根據(jù)城市軌道交通行業(yè)的相關規(guī)定，基于城市軌道交通路網實際運營數(shù)據(jù)，以評估列車運行圖協(xié)調性為目標，構建了城市軌道交通列車運行圖協(xié)調性評估體系，并開發(fā)了相應的評估系統(tǒng)；同時在此基礎上以北京市為例，結合路網客流的變化，基于時空網絡，動態(tài)評估列車運行圖的協(xié)調性。此評估方法突破了傳統(tǒng)的靜態(tài)角度分析和狹隘的單一網絡研究，得到了北京市交通信息中心與北京地鐵運營有限公司的專家認可，為列車運行圖的調整與優(yōu)化提供理論支持，也為路網協(xié)調運營提供一定的借鑒。本文的研究內容中指標體系的涉及范圍依然具有一定的局限性，選取擴展的指標更多的是從運營組織和管理的角度，需要在今后的應用過程中不斷補充，進一步完善指標體系。